Teorija elektrike zvuka automobila — Izračun rada i snage u istosmjernim krugovima

U našoj kontinuiranoj seriji članaka o električnoj teoriji zvuka automobila, predstavit ćemo koncept izvora izmjenične struje i signali. Razumijevanje osnova AC-a presudno je za razumijevanje rada mobilnog audiosustava. Ovaj članak koristi puno referenci na sustave isporuke električne energije koji se koriste u našim domovima i uredima kako bi se uspostavilo osnovno razumijevanje krugova izmjenične struje. Gradit ćemo na tim temeljima u ovom i sljedećim člancima kako bismo pomogli u razumijevanju složenosti AC sustava.

Razlika između AC i DC

Napon koji proizvodi električni sustav u našim vozilima naziva se istosmjerna struja. Elektroni teku u jednom smjeru od jednog terminala baterije do drugog (osim kada punimo bateriju). Dok postoje promjene u razini napona kako dodajemo opterećenja u strujni krug ili kada alternator počne puniti bateriju, smjer protoka struje prema električnim i elektroničkim uređajima u vozilu nikada se ne mijenja.

Nasuprot tome, struja koju vaša lokalna električna tvrtka daje za pogon svjetla i uređaja u našim domovima i na poslu naziva se izmjenična struja. Ima ovo ime jer tok elektrona mijenja smjer 60 puta u sekundi. Da, ovo zvuči čudno. Tko bi želio da njihova moć ide naprijed-natrag? Nemojte se uzrujavati; sve ćemo objasniti uskoro. Samo nastavi čitati.

Gubitak snage u žicama za prijenos

Istraživači vjeruju da je prvi izvor električne energije bio glineni lonac koji je sadržavao kositrene ploče i željeznu šipku. Ako se napuni kiselom otopinom poput octa, na metalnim stezaljkama proizveo bi se napon. Vjeruje se da je ova prva baterija stvorena prije više od 2000 godina. Sve baterije su izvori istosmjerne struje.

Korištenje električne energije za rad počelo je postajati popularno u kasnim 1800-ima, i kao takva, potreba za dostavom električne energije u domove i urede postala je neophodna. Problem s isporukom struje na velike udaljenosti je gubitak napona u žicama zbog njihovog otpora.

Kao što znamo iz Ohmovog zakona i proračuna snage o kojima smo nedavno raspravljali, snaga u krugu izravno je proporcionalna struji i naponu (P =I x V) u krugu. Snaga je također proporcionalna kvadratu struje u krugu u odnosu na otpor (P =I^2 x R). Ako možemo prenijeti snagu s više napona i manje struje, manje se energije gubi u žicama za prijenos.

Usvajanje izmjenične struje

Značajna prednost izvora napajanja izmjeničnom strujom u komercijalnim i stambenim primjenama je ta što je lako promijeniti odnos između napona i struje pomoću transformatora. Transformator je uređaj koji koristi magnetska polja za povećanje ili smanjenje omjera napona i struje. Na primjer, idealan transformator 2:1 pretvorio bi 10 volti i pet ampera izmjenične struje u pet volti i 10 ampera.

George Westinghouse zaslužan je za popularizaciju isporuke izmjenične struje u domove, zahvaljujući tome što mu je dodijeljen ugovor za opskrbu strujom za osvjetljavanje Svjetske izložbe Kolumbije 1893. godine. Westinghouse je koristio transformatore na temelju patenata koje je kupio od Luciena Gaularda i Johna Dixona Gibbsa. Gaulard i Gibbs izumili su transformator u Londonu 1881.

Izlaz generatora u nuklearnoj elektrani, elektrani na ugljen ili hidroelektrani je 20 do 22 kilovolta. Ovaj napon se povećava na između 155 000 do 765 000 volti pomoću transformatora za distribuciju po državi ili pokrajini. Većina visokonaponskih tornjeva koje vidite duž autoceste ili na čistinama ima oko 500 000 volti koji teče kroz tri strujna vodiča.

Svaki grad ili dio grada imat će neku vrstu električne trafostanice gdje se električna energija iz tih visokonaponskih vodova spušta na niže napone za distribuciju po različitim četvrtima. Ti su naponi obično u rasponu od 16 kV kako bi se održala odgovarajuća razina učinkovitosti prijenosa na tim kratkim do umjerenim udaljenostima. Transformatori u kućištima pokraj ceste ili instalirani pod zemljom pretvaraju taj napon u napajanje od 120 V koje ide do električnih ploča u našim domovima.

Kao primjer, pogledajmo 1 milju višežilnog kabela od 8 AWG. Prema American Wire Gauge standardu, 1 milja bakrene žice od 8 AWG imat će najveći otpor od 3,782 ohma i idealni otpor od 3,6 ohma.

Ako želimo 5000 vata snage isporučene kroz ovaj kilometar kabela, bit će gubitak energije zbog otpora u kabel. Ako svoju snagu prenosimo na 240 volti, u kabelu će teći struja od 20,83 ampera. S otporom od 3,6 ohma, sam kabel uzrokuje gubitak od 1562,5 i gubimo 75 volti preko kabela. Jasno je da niskonaponski prijenos signala na velike udaljenosti ne funkcionira.

Ako povećamo napon do 16 000 volti, gubitak snage u kabelu pada na 0,3125 vata i gubimo samo 1,125 volti u kabelu.

Visokonaponski dalekovodi način su na koji elektroprivredne tvrtke mogu isporučiti megavata električne energije na velike udaljenosti uz minimalne gubitke energije. Na 500 000 volti možemo prenijeti 1 megavat električne energije preko 100 milja i izgubiti samo 720 volti. To je 0,144 posto!

OK, dosta o odnosu AC snage i napona. Razgovarajmo o audio sustavima.

Prvi pogled na audio signale

Za razliku od valnog oblika izmjenične struje od 60 Hz koji napaja naše domove, audio signali sadrže informacije o naponu koje oponašaju promjene tlaka zraka koje bismo percipirali kao zvuk. U većini slučajeva zvukovi se snimaju pomoću mikrofona koji radi suprotno od zvučnika. Zvučna energija pokreće malu dijafragmu koja uključuje zavojnicu žice. Zavojnica žice se kreće pored fiksnog magneta. Gibanje zavojnice kroz magnetsko polje inducira napon u žici. Udaljenost koju dijafragma pomiče određuje amplitudu naponskog signala. Glasniji zvukovi proizvode veće napone.

Ispod je slika audio valnog oblika kako se vidi na osciloskopu. Osoba koja je govorila rekla je riječ audio.

Razumijevanje snage u krugovima izmjenične struje

Osnovni koncept snage u krugu izmjenične struje isti je kao za krug istosmjerne struje, ali je potrebno izvršiti neke izračune prije nego što možemo primijeniti Ohmov zakon. Pogledat ćemo kućno napajanje od 120 V, 60 Hz kako bismo objasnili matematiku na najjednostavniji način.

Da bismo izmjerili snagu, moramo pogledati količinu obavljenog posla u određenom razdoblju. U slučaju žarulje uključene u utičnicu, žarna nit ne mari u kojem smjeru struja teče, već količina svjetlosti i stvorene topline ovisi o amplitudi dobavljenog napona. Rad koji obavi žarulja izračunava se brojem elektrona koji protječu kroz žarulju za određeno vrijeme.

Da bismo odredili rad koji izvrši izmjenični napon, moramo izračunati vrijednost tog signala koji obavlja isti rad kao i istosmjerni napon. Ta se vrijednost naziva RMS ili korijen srednje kvadratne vrijednosti i iznosi 1/sqrt 2 ili 0,70711 za sinusne valove. Za naš izvor napajanja od 120 V koji izlazi iz zida, 120 V volti je RMS napon. Vršni napon je oko 167,7 volti. Da bude jasno, vrijednost od 0,70711 radi samo za sinusoidalni valni oblik. RMS vrijednost kvadratnog vala je 1,0, a za val simetričnog trokuta je 0,577.

Prema definiciji, RMS izmjenični napon može izvršiti istu količinu rada kao istosmjerni napon iste vrijednosti.

Slika ispod prikazuje jedan ciklus sinusoidnog valnog oblika. Vršni napon je 167,7 volti, a dvije narančaste linije definiraju RMS vrijednost od 120 V.

Osnovno razumijevanje izvora izmjenične struje i signala

Za ovaj članak zaključak je da su valni oblici zvuka na pretpojačalu i žicama zvučnika u našem stereo sustavu signali izmjenične struje. U sljedećem ćemo članku detaljnije razmotriti koncept frekvencije i amplitude.